重建一种20亿年前存在的特殊酶

莱比锡大学的基础研究人员解决了细菌酶进化的一个难题。通过重建一种20亿年前存在的特殊RNA聚合酶的候选基因，他们能够解释相应的现代酶迄今为止令人困惑的特性。与它们的祖先不同，它们不会连续工作，因此效率显著提高——这些活动的暂停构成了进化的进程。由于分子生物化学和生物信息学的跨学科合作，重建史前时期的蛋白质成为可能。该研究结果已发表在著名杂志《分子生物学与进化》上。

　　

   

   

图片:这是一个起源可以追溯到20亿年前的系统发育树的样子。每个分支的顶端都代表着现代生物体的酶。    

图片来源:Diana Smikalla

研究的酶是tRNA核苷酸转移酶:这种酶将C-C-A序列中的三个核苷酸构建块连接到细胞中的小rna(所谓的转移rna)上，这样它们就可以随后为蛋白质合成提供氨基酸。Mario Mrl教授(生物化学)和Sonja Prohaska教授(生物信息学)领导的研究小组通过系统发育重建，重建了大约20亿年前存在于细菌中的这种祖先酶的候选基因。研究小组随后将重构的RNA聚合酶的性质与现代细菌酶的性质进行了比较。

两种酶的工作精度相似，但在反应方面表现出明显的差异。直到现在，人们还不可能认识到现代酶反复中断其活性的趋势是一种进化优势。这一现象困扰了生物化学家几十年。只有通过与重组酶的活性模式进行比较，这个谜才得以解开。祖先酶是渐进的，也就是说，它不间断地工作，但时不时地移除已经正确添加的核苷酸构建块。结果表明，从酶的重建中可以了解现代酶的进化和特性，而且许多问题只能通过生物信息学和生物化学之间的相互作用来解决——在计算机计算和实验室实验之间来回进行。

通过追溯关系进入过去  

利用基因序列，也可以建立细菌的进化系统发育树。从今天物种树中广泛的生物多样性开始，个体基因的进化路径可以沿着关系和分支进行重建，并艰苦地追溯到一个共同的起源。

重建基本上是一个三步过程。首先，在数据库中搜索相应的现代酶，以便能够检查氨基酸组成单元的序列。得到的序列可以用来计算原始序列应该是什么样子的。然后将编码旧酶的相应基因序列引入实验室细菌中，使它们形成所需的蛋白质。然后可以对这种酶进行详细研究，以确定其性质并与现代酶进行比较。索尼娅·普罗哈斯卡回忆说:“当实验室传来的消息显示，重建的酶可以添加C-C-A，甚至可以在比现在的酶更宽的温度范围内进行添加时，这是一个突破。”

进化优化:活动中的暂停提高效率  

和生物一样，酶也通过进化得到优化。酶与底物结合得越强，其催化作用(催化)通常就越快越好。重建的祖先酶正是这样做的，它抓住底物tRNA，一个接一个地连接三个C-C-A核苷酸而不松手。另一方面，现代tRNA核苷酸基转移酶是分布的，即它们的工作阶段有停顿，在此期间它们重复释放底物。然而，它们比它们的祖先更高效、更快。这让研究人员感到困惑。为什么现代酶会不断释放底物?解释在于逆反应的现象，即结合的核苷酸再次被酶去除。虽然祖先酶与底物的强烈结合导致了随后的去除，但现代酶中的逆反应几乎完全通过释放底物而被阻止。这使得他们比他们的前辈工作得更有效率。

“我们现在终于能够解释为什么现代tRNA核苷酸转移酶尽管具有分布性质，却能如此高效地工作。”“这一发现完全出乎我们团队的意料。我们没想到会有这样的事情。我们在20年前就有了这个问题，现在我们终于可以用生物信息学重建方法来回答它。这种生物信息学和生物化学之间的密切合作在莱比锡已经存在了好几年，并已被证明，这不是第一次，对双方都是巨大的优势。”

文章标题

Substrate affinity versus catalytic efficiency: Ancestral sequence reconstruction of tRNA nucleotidyltransferases solves an enzyme puzzle